极地冰芯介电特性测定仪研制

发布时间：2020-11-10 04:25

【摘要】：人类科技革命以来,能源和环境问题日益加剧。极地冰芯内记录着极地能源分布和环境变迁等信息。因而冰芯介电特性研究对于极地科考具有重要意义。我国作为一个世界性大国,尽早实现冰芯介电特性测定仪的自主研发迫在眉睫。本文针对冰芯介电特性测定仪在极地冰芯检测方面的应用,研究分析了国外冰芯介电特性测试设备的优势与不足,结合国内现状与要求,设计并实现了一套集机电一体化为一身的自动化冰芯介电特性测试系统。整套系统的研制过程主要包括,系统硬件部分的设计开发、系统软件部分的设计开发、系统机械部分的设计安装、机电一体化调试五个方面的工作内容。系统硬件部分以STM32F407VET6微处理器为核心,实现了传感器数据采集,保温箱温度自动控制,步进电机控制,以及系统工作日志存储等功能。系统软件开发部分包括嵌入式软件开发和PC机客户端软件开发两个方面。其中客户端软件开发主要实现了以下功能。其一,通过主控系统下行控制指令,完成对步进电机的PWM控制,实现主板系统日志的接收。其二,通过Socket的网络编程和TCP/IP协议,下行SCPI消息指令完成对LCR测试仪的多频率、多模式、多功能测试数据的采集。其三,通过基于Modbus协议的数据采集模块,实现对冰芯测试的位移数据的采集工作。其四,实现对冰芯检测数据的动态图表化实时显示功能,以及数据的数据库存储等功能。后续本文对硬件部分的设计给予了详细的阐述。包括电源管理设计、微处理器核心电路设计、光耦隔离脉冲输出电路设计、温度采集电路设计、限位检测电路设计、继电器电路设计、串口隔离电路设计、数据存储等电路的设计。并详细描述了嵌入式系统软件和客户端软件的开发思路、设计架构和具体功能。文章最后,对整套系统进行了综合测试和测试结果分析。本系统已通过国家极地中心综合验收,将伴随“雪龙号”科考船参加中国第35次南极科考任务,应用于中国昆仑站深冰芯钻探工程项目。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P634.3
【图文】：

图 1.1 手持式冰芯介电特性测定设备介电特性测试技术提出后的 30 年间，在各国科学团队的科考项目中可以用渐渐趋于成熟。我国由于对极地研究起步较晚，投入的科研力度不够性测定设备还处于研究探索阶段。随着经济实力的增强，我国提出了建十一五”期间，“冰穹 A”深冰芯钻机项目进入研发实施阶段[9,24,25]，各也进入了研发的快车道。相信不久的将来我国在极地科考装备领域必将当具备的水平，为人类了解极地贡献中国智慧。题的主要创新点我国在冰芯研究领域属于起步阶段，首创即是创新点。相比国外在用的备而言，本设计有以下创新点：在国外手摇式测量的基础上，实现了机电一体化的自动化冰芯介电特性测试电平和测试频率可调。国外采用固定为 1V 的测试电平，测试频率系统设计了比较灵活的测试模式，测试电平在 0.1mV 到 20V 之间可调Hz 到 2MHz 之间可调。

杭州电子科技大学硕士学位论文特定的测试电平频率 ω 下，任何电解质都可以用理想电容、理想电感、电阻来等冰芯的等效电路有四种等效模式分别是 Cp 模式（电容和电阻的并联模式）、和电阻的串联模式）、Lp 模式（电感和电阻的并联模式）、Ls 模式（电感和电阻下图 2.6 为冰芯的四种等效电路模型。

图 2.7 电容介电特性分析测量电感时的电路模式选择：在一定的测试电平频率下，测量大电感时，电感的电大（与小电感的电抗相比），所以并联电阻比串联电阻会显得更重要，对电路的影响因此，选择并联等效电路模式（Lp-D、Lp-Q 或 Lp-G）来测量大电感介质更为适用，如若测量小电感介质时，给定频率下电抗显得比较小（与大电感的电抗相比），此阻的分量相比并联电阻显得更为重要[42]。因此，选用串联等效电路模式（Ls-D 或 Ls量小电感介质更适用。如下图 2.8 电感介电特性分析图所示，一般根据如下的经验电感介质的电路测试模型：如果电感阻抗值大于 10KΩ 的情况下，建议采用并联电如果电感阻抗值小于 10Ω 的情况下，建议采用串联电路模式[41]。在两者之间时可按选择。
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本文编号：2877473